基于dsp的交流電機vvvf控制器的設計畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 在指定諧波消除法中，逆變器的輸出電壓仍是一組等幅不等寬的脈沖波，而且是半個周期對稱的。但它們并非是由三角載波與正弦調制波的交點形成，而是從消除某些指定次數的諧波出發，通過計算來確定各個脈沖的開關時刻。移相式SPWM技術在許多大功率、特大功率應用場合，如高壓直流輸電（HVDC），靜止無功補償（SVC），大功率交流電機調速等場合。由于特大功率可關斷器件的開關頻率上限很低，而開關頻率較低的SPWM技術將產生大量低頻諧波，為此人們提出了一種新的SPWM技術，即將多重化技術和SPWM技術結合起來，形成移相式SPWM技術，其基本思想是：在多重化為Lx的組合裝置中使用共同的調制波，并將各裝置中的三角載波（頻率為fC）相位相互錯開2π/(LxfC)角度，利用SPWM技術中的波形生成方式和多重化技術中的波形疊加結構產生移相式SPWM波形。雖然每臺變流器載波頻率很低，但整個組合變流器輸出等效于開關頻率很高或者說載波頻率很高的SPWM變流器。由于移相式SPWM多重化是以自然采樣SPWM技術為基礎的多重化結構，可以直接引用許多改進的SPWM方法。它保持了原技術中優異的控制性能，使傳統多重化結構的單調控制方式得到極大地擴充。在多重化電流型變頻調速系統應用中，各單元發出的基波同幅、同相，可以共用整流裝置，疊加后的波形中完全抵消了低次諧波，極大地改善了電機的工作條件。 3 TMS320LF2407A與調試環境簡介 DSP概述DSP（Digital Signal Processing）也稱數字信號處理技術，它是利用計算機或專用處理設備，以數字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。DSP是一種具有特殊結構的微處理器，其內部集成高速乘法器，具有多組內部總線，能夠進行快速乘法和加法運算，適用于高速數字信號處理的高速、高位單片機，它具有獨特的軟硬件結構，體積小、功耗低、使用方便、處理實時迅速、處理數據量大、精度高、性價比高等顯著優點，主要應用在實時快速實現各種數字信號處理的各種算法。目前中國市場上TI公司DSP芯片占有率在50％以上，也是我們比較熟悉DSP芯片之一，其硬件結構的主要特點是：哈佛結構，它是采用程序、數據總線分別獨立并具有多條總線的結構。程序存儲器和數據存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址，用獨立的程序總線、數據總線或者多條總線分別進行訪問。流水線操作計算機在執行一條指令的時候，總要經過取指、譯碼、訪問操作數、執行等幾個步驟，需要若干個機器周期才能完成。DSP的流水線結構是指它的這幾個階段在執行過程中是重疊的。第一條指令取指后譯碼時，第二條指令取指；第一條指令訪問數據時，第二條指令譯碼，第三條指令取指；…即在任意給定的周期內，可能有1～4條不同的指令是激活的，每一條都處于不同的階段。專用的硬件乘法器在DSP備有硬件連線邏輯的高速“與或”運算器（乘法器和累加器），取兩個操作數到乘法器中進行乘法運算，并將乘積加到累加器中，這些操作都可以在單個周期內完成。特殊的指令在DSP的指令系統中，有許多指令是多功能指令，即一條指令可以完成幾種不同的操作，或者說一條指令具有幾條指令的功能。快速的指令周期哈佛結構、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優化設計，可使DSP芯片的指令周期達到200ns以下，TMS320系列處理器的指令周期已經從第一代的200ns降到現在20ns以下。DSP以運算速度快為特征，而單片機以數字控制功能強為特點。對電動機的數字控制既要求控制器有強大的I/O控制功能，又要求控制器有高速的信號處理能力以實現實時控制。將DSP的高速運算速度與單片機的高控制能力相結合，開發出了電動機控制的專用集成芯片C24x系列DSP。這種DSP還集成了電動機控制所必需的可增加死區且靈活多變的多路PWM信號發生器、高速高精度的ADC、以及用于電動機速度和位置反饋的編碼器接口電路。 DSP芯片的應用DSP芯片自20世紀70年代末誕生以來，得到了飛速的發展。DSP芯片的高速發展，一方面得益于集成電路技術的發展；另一方面得益于巨大的市場。在近20年時間里，DSP芯片已經在信號處理、雷達、通信等許多領域得到了廣泛的應用。目前，DSP芯片的價格越來越低，性能價格比日益提高，具有巨大的應用潛力。DSP芯片的應用主要有：（1）信號處理——如數字濾波、快速傅立葉變換、模式匹配、波形產生等。（2）通信——調制解調器、糾錯編碼等。（3）語音——語音編碼、語音合成等。（4）圖形/圖像——二維三維圖形處理、圖像壓縮等。（5）儀器/儀表——雷達處理、導航等。（6）自動控制——聲控、機器人控制等。 TMS320LF2407A簡介 TMS320LF2407A芯片介紹本文以TI公司最新推出的電機控制專用TMS320LF2407A DSP芯片為控制核心進行研究。TMS320LF2407A DSP屬于TI公司TMS320C2000系列定點DSP中的C24xx產品系列，其中“LF”代表片內Flash EPROM()，“LC”代表低電壓CMOS()。TMS320LF2407A DSP專門為電機控制與運動控制數字化優化實現而設計，特別適合于三相異步電動機的高性能控制。它集C2xx內核增強型TMS320設計結構及適用于電機控制的低功耗、高性能、優化外圍電路于一體，CPU內部采用增強型哈佛結構，四級流水線作業，幾乎每條指令可在33ns完成，性價比高，構成控制系統的體積大大減小。 TMS320LF2407A DSP特點采用高性能靜態CMOS制造技術，該DSP具有功耗低和速度快的特點：33ns單指令周期(30MHz)，最短為25ns（40MHz）；運算速度為30MIPS，最快運算速度可達40MIPS；，有4種低功耗工作方式，四級指令執行流水線。由于2407DSP工作在低功耗模式下，有利于電池供電的應用場合，其高速度非常適合電動機的實時控制。采用了基于TMS320C24x DSP CPU的內核，保證了與TMS320C24x系列DSP12代碼的兼容性，與F240/C240的指令集和模式均兼容。片內集成了32K字16bit的Flash EEPROM程序存儲器，16bit的數據/程序RAM，包括2K字的單口SARAM(SingleAccess RAM)和544字的雙口DARAM(DualAccess RAM)。因而該芯片可用于產品的開發，Flash的可編程密碼保護功能能夠使用戶的知識產權得到很好的維護。提供外擴展64K字程序存儲器、64K字數據存儲器、64K字I/O的能力。兩個專用電機控制的事件管理器(EV)，每一個都包含：2個16位的通用定時器，8個16位脈寬調制(PWM)輸出通道，1個能夠快速封鎖輸出通道的外部引腳PDPINTx(其狀態可由COMCONx寄存器獲得)，可防止上下橋臂直通的可編程死區控制功能，3個捕獲單元，1個增量式光電位置編碼器接口。可編程看門狗（WDT）定時器，保證程序運行的安全性。16通道10位A/D轉換器，具有可編程自動排序功能，4個啟動A/D轉換的觸發源，最快A/D轉換時間為375ns。控制器局域網CAN（Controller Area Network）。串口接口SPI和SCI模塊。基于鎖相環的時鐘發生器(PLL)。141個通用I/O引腳。132位累加器和32位中央算術邏輯單元(CALU)，16位16位并行乘法器，可實現單指令周期的乘法運算，5個外部中斷。1 IEEE標準JTAG仿真接口。1很寬的工作溫度范圍，普通級：－40～85℃；特殊級：－40～125℃。TMS320LF2407系統組成包括：40MHz，、片內存儲器、事件管理器模塊、片內集成外圍設備。其體系結構框圖如圖31所示。 TMS320LF2407A事件管理器作為電機專用芯片，TMS320LF2407A最大的特色是內置了功能強大的事件管理器（Event Manager），該模塊提供了一套用于運動控制和電機控制應用的功能和特性。每個TMS320LF2407A芯片都具有兩個事件管理器模塊EVA和EVB。每個事件管理器模塊包括以下功能模塊：兩個通用定時器（GP timer）；三個全比較單元（Full pare units）；8個16位的脈寬調制（PWM）通道；可編程的PWM死區控制單元；三個捕獲單元（Capture units）；正交編碼器脈沖電路（QEP circuit）；通道A/D轉換器。圖31 TMS320LF2407A體系結構框圖4系統的硬件設計及其實現本系統采用交一直一交電壓型變頻電路，分為主電源電路和控制電路兩大塊。主電源電路主要由整流電路、濾波電路及智能功率模塊IPM構成的逆變電路組成。控制電路以TI的DSP芯片TMS320LF2407A為核心，包括電流檢測模塊、轉速檢測模塊、保護模塊、通信模塊和顯示模塊。構成功能齊全的全數字變頻調速矢量控制系統，其系統硬件結構框圖如4一1所示4一1系統的硬件框圖從圖4一1可以看出，本系統是一個有轉速反饋的閉環系統。系統參數由上位機通過RS一232接口傳給下位機，DSP負責各相電流采樣、轉速采樣，并計算電機的轉速和位置，最后運用控制算法，得到SPWM控制信號經過光耦隔離電路后，驅動逆變器功率開關器件。同時，DSP還通過LED顯示當前電機轉速，而且監控變頻調速系統的運行狀態，當系統出現短路、過流、過壓、過熱等故障時，DSP將封鎖PWM輸出信號，使電機停機，并通過指示燈顯示。整流電路由不可控的二極管三相整流橋組成，逆變采用PWM方式，用智能功率模塊IPM作為功率開關器件，其主電源電路結構圖如4一2所示 圖42主電源電路圖從圖42可以看出，380V的電壓經過六個二極管(D1D6)的全波整流，變為直流。電解電容Cl和C2為整流濾波電容，同時為逆變器負載和直流電源之間的無功功率提供緩沖。主電源電路工作時，因為智能功率模塊IPM的開關頻率很高，開關動作時會在直流環節產生電流突變，由于主電路分布雜感電感的存在，在IPM模塊里的IGBT的集電極和發射極以及直流母線上會出現高頻的尖峰電壓毛刺，不但會影響逆變橋的工作，有時還會損壞IGBT，因此需要在逆變橋上加上一個吸收緩沖電路。圖(4一2)中電容C3和電阻R3，就是一個典型的吸收緩沖電路，其中C3為CBB電容，R3為無感電阻。另外，有R1和R2的分壓電路，經過隔離、調整電路送給控制芯片，作為主電源電路過壓和欠壓保護信號。一、IPM模塊日本三菱MITSUBISHI公司的智能功率模塊很具有代表性，而且性能優良,價格適中，因此本系統采用三菱公司的IPM模塊，本系統采用耐壓12O0V，額定電流為10A的IPM模塊PMIORSH120。PM10RSH12O里面封裝了七只IGBT，該模塊需要四組獨立的電源供電，下橋臂三路驅動共用同一組電源外，其余上橋臂三路驅動需要三組獨立的電源供電。六路驅動電路共采用四組相互獨立的+15V電源，其中上橋臂三路各采用一組獨立電源，下橋臂三路驅動電路共用一組電源，其管腳具體功能如下。 表41塊管腳功能表端子符號含義(1)Vupc上橋臂U相驅動電源輸入端Vupi:+端，Vupc:一端(4)Vupi(2)UFO上橋臂U相故障保護輸出端，低有效(3)Up上橋臂U相驅動信號輸入端，低有效(5)Vvpc上橋臂V相驅動電源輸入端Vvpi:+端，Vvpc:一端(8)Vupi(6)VFO上橋臂V相故障保護輸出端，低有效(7)Vp上橋臂V相驅動信號輸入端，低有效(9)Vwpc上橋臂U相驅動電源輸入端Vwpi:+端，Vwpc:一端(12)Vwpi(10)WFO上橋W相故障保護輸出端，低有效(11)Wp上橋臂W相驅動信號輸入端，低有效(13)Vnc下橋臂共用驅動電源輸入端(14)VniVnc:+端，Vni:一端(15) Br制動驅動信號輸入端，低有效(16)Un下橋臂U相驅動信號輸入端，低有效(17)Vn下橋臂V相驅動信號輸入端，低有效效(18)Wn下橋臂W相驅動信號輸入端，低有效(19)FO下橋臂共用故障輸出端端(20) P主電源(直流)輸入端P:+端，N:一端(22)N(21)B空(23)U變頻器三相輸出端，連接電機三端(24)V(25)W智能功率模塊IPM具有性能優良的內置保護電路，可以避免因系統失靈或過應力而使功率器件損壞。IPM模塊內置保護功能有:控制電源欠壓鎖定、過熱保護、過流保護、短路保護。如果IPM模塊其中有一路保護電路動作，IGBT的柵極驅動單元就會關斷電流并輸出一個故障信號(FO)。各種保護功能簡單介紹如下:1)電源欠壓鎖定(UV):避免欠壓保護電路頻繁切換，保證電路的正常運行。內部控制電路有一個15V的直流電源供電。如果由于某種原因這一電源電壓低于規定的欠壓動作數值(UV)，IGBT將被關斷并輸出一個故障信號。但是小毛刺的干擾(低電壓時間低于規定的與/廠)時欠壓電路保護電路不動作。2)過熱保護(0T):如果傳感器檢測到基板溫度超出過熱動作值(OT)，IPM內部控制電路將截止下橋臂器件的柵驅動，使控制輸入信號無效，同時給出下橋臂故障信號。3)過流保護(0C):避免浪涌電壓過高或者過流，有效地保障了IPM的安全。4)短路保護(SC):如果負載發生短路或系統控制器故障而導致上下橋臂同時導通，IPM內置短路保護電路將關斷IGBT。當流經IGBT的電流超出電流短路動作數值(SC)時，軟關斷將立即啟動，并輸出一個故障信號。對于所有的故障信號經過光電隔離TLP559，生成